Fluid dynamics models provide a powerful deterministic technique to approximate stochasticity in a variety of application areas. In this paper, we study two classes of fluid models, investigate their relationship as well as some of their applications. This analysis allows us to provide analytical models of travel times as they arise in dynamically evolving environments, such as transportation networks as well as supply chains. In particular, using the laws of hydrodynamic theory, we first propose and examine a general second order fluid model. We consider a first-order approximation of this model and show how it is helpful in analyzing the dynamic traffic equilibrium problem. Furthermore, we present an alternate class of fluid models that are traditionally used in the context of dynamic traffic assignment. By interpreting travel times as price/inventory-sojourn-time relationships, we are also able to connect this approach with a tractable fluid model in the context of dynamic pricing and inventory management. Finally, we investigate the relationship between these two classes of fluid models. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

The purpose of this paper is to investigate the problem of finding a common element of the set of solutions of a generalized equilibrium problem (for short, GEP) and the set of fixed points of a nonexpansive mapping in a Hilbert space. First, by using the well-known KKM technique we derive the existence and uniqueness of solutions of the auxiliary problems for the GEP. Second, on account of this result and Nadler's theorem, we introduce an iterative scheme by the viscosity approximation method for finding a common element of the set of solutions of the GEP and the set of fixed points of the nonexpansive mapping. Furthermore, it is proven that the sequences generated by this iterative scheme converge strongly to a common element of the set of solutions of the GEP and the set of fixed points of the nonexpansive mapping.

To date, over 84% of countries worldwide have renewable energy targets (RET), requiring that a certain amount of electricity be produced from renewable sources by a target date. Despite the worldwide prevalence of these policies, little research has been conducted on ex-ante RET policy analysis. In an effort to move toward evidence-based policymaking, this thesis develops computational models to assess the tradeoffs associated with alternatives for both RET achievement and RET policy formulation, including the option of creating renewable energy credit (REC) markets to facilitate meeting an RET goal. A mixed integer linear program (MILP), a probabilistic cost prediction model and a mixed complementarity problem (MCP) serve as the theoretical bases for the RET alternative and policy formulation analyses. From these models it was found, inter alia, that RET goals set too low run the risk of creating technological lock-in and could inhibit achievement of higher goals; probabilistic cost predictions give decision-makers essential risk information, when cost estimation is an integral part of alternatives assessment; and though REC markets may facilitate RET achievement, including REC markets in an RET policy formulation may not result in the lowest possible greenhouse gas emissions (GHG).

Estuda-se o problema de equilíbrio sem força de corpo de uma esfera anisotrópica sob compressão radial uniformemente distribuída sobre o seu contorno no contexto da teoria da elasticidade linear clássica. A solução deste problema prediz o fenômeno inaceitável da auto-intersecção em uma região próxima ao centro da esfera para uma dada faixa de parâmetros materiais. Sob o contexto de uma teoria de minimização do funcional de energia potencial total da elasticidade linear clássica com a restrição de que o determinante do gradiente da função mudança de configuração seja injetivo, este fenômeno é eliminado. Aplicam-se duas formulações do Método dos Elementos Finitos de Galerkin Descontínuo (MEFGD) para obter soluções aproximadas para o problema de equilíbrio da esfera sem restrição. A primeira formulação do MEFGD aproxima diretamente os campos de deslocamento e deformação infinitesimal. A consideração do campo adicional de deformação na formulação do MEFGD aumenta o número de graus de liberdade associados aos nós da malha de elementos finitos e, consequentemente, o custo computacional. Com o objetivo de reduzir o número de graus de liberdade, introduz-se neste trabalho uma formulação alternativa do MEFGD. Nesta formulação, o campo de deformação infinitesimal não é obtido diretamente da inversão do sistema de equações resultante, mas sim por pós-processamento, a partir do campo de deslocamento aproximado. As soluções aproximadas obtidas com ambas as formulações do MEFGD são comparadas com a solução exata do problema sem restrição e com soluções aproximadas obtidas com o Método dos Elementos Finitos de Galerkin Clássico (MEFGC). Ambas as formulações do MEFGD fornecem melhores aproximações para a solução exata do que as aproximações obtidas com o MEFGC. Os erros entre a solução exata e as soluções aproximadas obtidas com a formulação alternativa do MEFGD são um pouco maiores do que os erros correspondentes obtidos com a formulação original do MEFGD. Este aumento nos erros é compensado pelo menor esforço computacional exigido pela formulação alternativa. Este trabalho serve de base para o estudo de problemas com restrição de injetividade utilizando o método de Galerkin descontínuo. / The equilibrium problem without body force of an anisotropic sphere under radial compression that is uniformly distributed on the sphere\'s boundary is investigated in the context of the classical linear elasticity theory. The solution of this problem predicts the unacceptable phenomenon of self-intersection in a vicinity of the center of the sphere for a given range of material parameters. This phenomenon can be eliminated in the context of a theory that minimizes the total potential energy of classical linear elasticity subjected to the restriction that the deformation field be injective. Two formulations of the Finite Element Method using Discontinuous Galerkin (MEFGD) are used to obtain approximate solutions for the unconstrained problem. The first formulation of the MEFGD approximates both the displacement and the strain fields. The consideration of the strain as an additional field in the formulation of the MEFGD increases the number of degrees of freedom associated to the finite elements and, therefore, the computational cost. With the objective of reducing the number of degrees of freedom, an alternative formulation of the MEFGD is introduced in this work. In this formulation, the strain field is not obtained directly from the inversion of the resulting linear system of equations, but from a post-processing calculation using the approximate displacement field. The approximate solutions obtained with both formulations of the MEFGD are compared with the exact solution of the problem without restriction and with approximate solutions obtained with the Finite Element Method using Classical Galerkin (MEFGC). Both formulations of the MEFGD yield better approximations for the exact solution than the approximations obtained with the MEFGC. The errors between the exact solution and the approximate solutions obtained with the alternative formulation of the MEFGD are slightly higher than the corresponding errors obtained with the original formulation of the MEFGD. These errors are compensated by the fact that the alternative formulation requires less computational effort than the computational effort required by the original formulation. This work serves as a basis for the study of problems with the injectivity restriction using the discontinuous Galerkin method.

Esta tese é um estudo acerca do Problema de Equilíbrio de Nash Generalizado (GNEP). Na primeira parte, faremos um resumo dos principais conceitos sobre GNEPs, a relação com outros problemas já conhecidos e comentaremos brevemente os principais métodos já feitos até esta data para resolver numericamente este tipo de problema. Na segunda parte, estudamos condições de otimalidade e condições de qualificação (CQ) para GNEPs, fazendo uma analogia como em otimização. Estendemos os conceitos de cone tangente, normal, gerado pelas restrições ativas, linearizado e polar para a estrutura dos GNEPs. Cada CQ de otimização gera dois tipos de CQ para GNEPs, sendo que a denotada por CQ-GNEP é mais forte e útil para a análise de algoritmos para GNEPs. Mostramos que as condições de qualificação para GNEPs deste tipo em alguns casos não guardam a mesma relação que em otimização. Estendemos também o conceito de Aproximadamente Karush-KuhnTucker (AKKT) de otimização para GNEPs, o AKKT-GNEP. É bem conhecido que AKKT é uma genuína condição de otimalidade em otimização, mas para o caso dos GNEPs mostramos que isto não ocorre em geral. Por outro lado, AKKT-GNEP é satisfeito, por exemplo, em qualquer solução de um GNEP conjuntamente convexo, desde que seja um equilíbrio bvariacional. Com isso em mente, definimos um método do tipo Lagrangiano Aumentado para o GNEP usando penalidades quadráticas e exponenciais e estudamos as propriedades de otimalidade e viabilidade dos pontos limites de sequências geradas pelo algoritmo. Finalmente alguns critérios para resolver os subproblemas e resultados numéricos são apresentados. / This thesis is a study about the generalized Nash equilibrium problem (GNEP). In the first part we will summarize the main concepts about GNEPs, the relationship with other known problems and we will briefly comment on the main methods already done in order to solve these problems numerically. In the second part we study optimality conditions and constraint qualification (CQ) for GNEPs making an analogy with the optimization case. We extend the concepts of the tangent, normal and generated by the active cones, linear and polar cone to the structure of the GNEPs. Each optimization CQ generates two types of CQs for GNEPs, with the one called CQ-GNEP being the strongest and most useful for analyzing the algorithms for GNEPs. We show that the qualification conditions for GNEPs of this type in some cases do not have the same relation as in optimization. We also extend the Approximate Karush- Kuhn-Tucker (AKKT) concept used in optimization for GNEPs to AKKT-GNEP. It is well known that AKKT is a genuine optimality condition in optimization but for GNEPs we show that this does not occur in general. On the other hand, AKKT-GNEP is satisfied, for example, in any solution of a jointly convex GNEP, provided that it is a b-variational equilibrium. With this in mind, we define Augmented Lagrangian methods for the GNEP, using the quadratic and the exponential penalties, and we study the optimality and feasibility properties of the sequence of points generated by the algorithms. Finally some criteria to solve the subproblems and numerical results are presented.

Made available in DSpace on 2015-04-22T22:16:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 daiana santos.pdf: 1011976 bytes, checksum: 0d1f23d4c01774fbad224c1c0fbe0359 (MD5) Previous issue date: 2013-09-23 / FAPEAM - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Amazonas / In this dissertation, we present a proximal point method for solving problems balance in Hilbert spaces proposed by Alfredo Iusem and Wilfredo Sosa in [1]. We analyzed the convergence of this mehtod for troubleshooting balance. We verified the sequence generated by the method of classical proximal point and generated sequence the proximal point method to balance problems are the same. These results were obtained using variations of monotonicity of the function that defines the balance problem. In the final analysis is made on the weakening of the hypothesis assumed by function. / Nesta dissertação, apresentamos um método de ponto proximal para resolução de problemas de equilíbrio em espaços de Hilbert proposto por Alfredo Iusem e Wilfredo Sosa em [1]. Analisamos a convergência deste método para soluções de problemas de equilíbrio. Verificamos que a sequência gerada pelo método de ponto proximal clássico e a sequência gerada pelo método de ponto proximal para problemas de equilíbrio coincidem. Esses resultados foram obtidos usando variações de monotonicidade sobre a função que define o problema de equilíbrio. Uma análise final é feita sobre o enfraquecimento das hipóteses assumidas pela função.

This thesis concerns the development of novel feasible direction type algorithms for constrained nonlinear optimization. The new algorithms are based upon enhancements of the search direction determination and the line search steps. The Frank-Wolfe method is popular for solving certain structured linearly constrained nonlinear problems, although its rate of convergence is often poor. We develop improved Frank--Wolfe type algorithms based on conjugate directions. In the conjugate direction Frank-Wolfe method a line search is performed along a direction which is conjugate to the previous one with respect to the Hessian matrix of the objective. A further refinement of this method is derived by applying conjugation with respect to the last two directions, instead of only the last one. The new methods are applied to the single-class user traffic equilibrium problem, the multi-class user traffic equilibrium problem under social marginal cost pricing, and the stochastic transportation problem. In a limited set of computational tests the algorithms turn out to be quite efficient. Additionally, a feasible direction method with multi-dimensional search for the stochastic transportation problem is developed. We also derive a novel sequential linear programming algorithm for general constrained nonlinear optimization problems, with the intention of being able to attack problems with large numbers of variables and constraints. The algorithm is based on inner approximations of both the primal and the dual spaces, which yields a method combining column and constraint generation in the primal space. / The articles are note published due to copyright rextrictions.

Esta tese é um estudo acerca do Problema de Equilíbrio de Nash Generalizado (GNEP). Na primeira parte, faremos um resumo dos principais conceitos sobre GNEPs, a relação com outros problemas já conhecidos e comentaremos brevemente os principais métodos já feitos até esta data para resolver numericamente este tipo de problema. Na segunda parte, estudamos condições de otimalidade e condições de qualificação (CQ) para GNEPs, fazendo uma analogia como em otimização. Estendemos os conceitos de cone tangente, normal, gerado pelas restrições ativas, linearizado e polar para a estrutura dos GNEPs. Cada CQ de otimização gera dois tipos de CQ para GNEPs, sendo que a denotada por CQ-GNEP é mais forte e útil para a análise de algoritmos para GNEPs. Mostramos que as condições de qualificação para GNEPs deste tipo em alguns casos não guardam a mesma relação que em otimização. Estendemos também o conceito de Aproximadamente Karush-KuhnTucker (AKKT) de otimização para GNEPs, o AKKT-GNEP. É bem conhecido que AKKT é uma genuína condição de otimalidade em otimização, mas para o caso dos GNEPs mostramos que isto não ocorre em geral. Por outro lado, AKKT-GNEP é satisfeito, por exemplo, em qualquer solução de um GNEP conjuntamente convexo, desde que seja um equilíbrio bvariacional. Com isso em mente, definimos um método do tipo Lagrangiano Aumentado para o GNEP usando penalidades quadráticas e exponenciais e estudamos as propriedades de otimalidade e viabilidade dos pontos limites de sequências geradas pelo algoritmo. Finalmente alguns critérios para resolver os subproblemas e resultados numéricos são apresentados. / This thesis is a study about the generalized Nash equilibrium problem (GNEP). In the first part we will summarize the main concepts about GNEPs, the relationship with other known problems and we will briefly comment on the main methods already done in order to solve these problems numerically. In the second part we study optimality conditions and constraint qualification (CQ) for GNEPs making an analogy with the optimization case. We extend the concepts of the tangent, normal and generated by the active cones, linear and polar cone to the structure of the GNEPs. Each optimization CQ generates two types of CQs for GNEPs, with the one called CQ-GNEP being the strongest and most useful for analyzing the algorithms for GNEPs. We show that the qualification conditions for GNEPs of this type in some cases do not have the same relation as in optimization. We also extend the Approximate Karush- Kuhn-Tucker (AKKT) concept used in optimization for GNEPs to AKKT-GNEP. It is well known that AKKT is a genuine optimality condition in optimization but for GNEPs we show that this does not occur in general. On the other hand, AKKT-GNEP is satisfied, for example, in any solution of a jointly convex GNEP, provided that it is a b-variational equilibrium. With this in mind, we define Augmented Lagrangian methods for the GNEP, using the quadratic and the exponential penalties, and we study the optimality and feasibility properties of the sequence of points generated by the algorithms. Finally some criteria to solve the subproblems and numerical results are presented.

Estuda-se o problema de equilíbrio sem força de corpo de uma esfera anisotrópica sob compressão radial uniformemente distribuída sobre o seu contorno no contexto da teoria da elasticidade linear clássica. A solução deste problema prediz o fenômeno inaceitável da auto-intersecção em uma região próxima ao centro da esfera para uma dada faixa de parâmetros materiais. Sob o contexto de uma teoria de minimização do funcional de energia potencial total da elasticidade linear clássica com a restrição de que o determinante do gradiente da função mudança de configuração seja injetivo, este fenômeno é eliminado. Aplicam-se duas formulações do Método dos Elementos Finitos de Galerkin Descontínuo (MEFGD) para obter soluções aproximadas para o problema de equilíbrio da esfera sem restrição. A primeira formulação do MEFGD aproxima diretamente os campos de deslocamento e deformação infinitesimal. A consideração do campo adicional de deformação na formulação do MEFGD aumenta o número de graus de liberdade associados aos nós da malha de elementos finitos e, consequentemente, o custo computacional. Com o objetivo de reduzir o número de graus de liberdade, introduz-se neste trabalho uma formulação alternativa do MEFGD. Nesta formulação, o campo de deformação infinitesimal não é obtido diretamente da inversão do sistema de equações resultante, mas sim por pós-processamento, a partir do campo de deslocamento aproximado. As soluções aproximadas obtidas com ambas as formulações do MEFGD são comparadas com a solução exata do problema sem restrição e com soluções aproximadas obtidas com o Método dos Elementos Finitos de Galerkin Clássico (MEFGC). Ambas as formulações do MEFGD fornecem melhores aproximações para a solução exata do que as aproximações obtidas com o MEFGC. Os erros entre a solução exata e as soluções aproximadas obtidas com a formulação alternativa do MEFGD são um pouco maiores do que os erros correspondentes obtidos com a formulação original do MEFGD. Este aumento nos erros é compensado pelo menor esforço computacional exigido pela formulação alternativa. Este trabalho serve de base para o estudo de problemas com restrição de injetividade utilizando o método de Galerkin descontínuo. / The equilibrium problem without body force of an anisotropic sphere under radial compression that is uniformly distributed on the sphere\'s boundary is investigated in the context of the classical linear elasticity theory. The solution of this problem predicts the unacceptable phenomenon of self-intersection in a vicinity of the center of the sphere for a given range of material parameters. This phenomenon can be eliminated in the context of a theory that minimizes the total potential energy of classical linear elasticity subjected to the restriction that the deformation field be injective. Two formulations of the Finite Element Method using Discontinuous Galerkin (MEFGD) are used to obtain approximate solutions for the unconstrained problem. The first formulation of the MEFGD approximates both the displacement and the strain fields. The consideration of the strain as an additional field in the formulation of the MEFGD increases the number of degrees of freedom associated to the finite elements and, therefore, the computational cost. With the objective of reducing the number of degrees of freedom, an alternative formulation of the MEFGD is introduced in this work. In this formulation, the strain field is not obtained directly from the inversion of the resulting linear system of equations, but from a post-processing calculation using the approximate displacement field. The approximate solutions obtained with both formulations of the MEFGD are compared with the exact solution of the problem without restriction and with approximate solutions obtained with the Finite Element Method using Classical Galerkin (MEFGC). Both formulations of the MEFGD yield better approximations for the exact solution than the approximations obtained with the MEFGC. The errors between the exact solution and the approximate solutions obtained with the alternative formulation of the MEFGD are slightly higher than the corresponding errors obtained with the original formulation of the MEFGD. These errors are compensated by the fact that the alternative formulation requires less computational effort than the computational effort required by the original formulation. This work serves as a basis for the study of problems with the injectivity restriction using the discontinuous Galerkin method.

[pt] O setor elétrico está passando por uma série de transformações para acomodar a transição energética. Dentre essas mudanças, destaca-se a liberalização do mercado, com maior autonomia dos consumidores e possibilidade de migração entre os mercados regulado e livre. Este contexto adiciona complexidade à tarefa das distribuidoras de energia de projetar a sua demanda futura e realizar as contratações de energia para o mercado cativo, uma vez que devem servir consumidores cada vez mais dinâmicos e, consequentemente, um portfólio mais instável. Ainda, a migração de consumidores para o mercado livre tem o potencial de gerar sobrecontratação das distribuidoras, incorrendo em sobrecustos a elas e aos consumidores cativos remanescentes. Este trabalho propõe um modelo de otimização para determinar os preços de equilíbrio para os mercados livre e regulado em um mercado liberalizado. Dada a interdependência das decisões dos agentes (distribuidora, consumidores cativos, consumidores livres e geradores), as suas interações serão modeladas como Múltiplos Problemas de Otimização com Restrições de Equilíbrio (MOPEC), em que os problemas de maximização de receitas de cada agente são combinados em um único problema de otimização, e conectados por restrições de equilíbrio. Demonstra-se ainda que o MOPEC proposto pode ser representado por um problema de programação linear. Os agentes são modelados avessos a risco, sendo suas funções objetivos individuais representadas como a combinação convexa do valor esperado e do Conditional Value at Risk (CVaR) de suas receitas. Entre os resultados do modelo, destacam-se os níveis ótimos de migração dos consumidores, decisões de contratação, e preços de contratos no mercado livre e tarifas no mercado regulado. São também apresentadas e modeladas diferentes propostas regulatórias para o tratamento dos passivos associados à sobrecontratação das distribuidoras. O modelo é aplicado em um estudo de caso simplificado e outro com dados realistas do sistema elétrico brasileiro. Finalmente, acopla-se o modelo em um processo iterativo que determina a expansão ótima do sistema, de forma que as decisões de contratação e preços resultantes geram sinais econômicos aos investimentos em expansão da capacidade de geração. Essa metodologia é aplicada em um estudo de caso, com exercícios de expansão da geração do sistema elétrico brasileiro. / [en] The power sector is undergoing a series of transformations to accommodate the energy transition. Among these changes, the market liberalization stands out, with greater consumer autonomy and the possibility of migration between the regulated and free markets. This context adds complexity to the task of energy distribution companies to project their future demand and to contract energy to serve the captive market, as these contracts should serve increasingly dynamic consumers and, consequently, a more unstable portfolio. Moreover, the migration of consumers to the free market may generate over-contracting of distributors, incurring extra costs for it and for the remaining captive consumers. This work proposes an optimization model to determine the equilibrium prices in the free and regulated environments in a liberalized market. Given the interdependence of agents decisions (distributors, captive consumers, free consumers and generators), their interactions are modeled as Multiple Optimization Problems with Equilibrium Constraints (MOPEC), in which each agent s revenue maximization problems are combined into a single optimization problem, and connected by equilibrium constraints. It is demonstrated that the proposed MOPEC can be represented by a linear programming problem. The agents are modeled as risk-averse, with their individual objective functions represented as the convex combination of the expected value and the Conditional Value at Risk (CVaR) of their revenues. Among the results of the model, we highlight the optimal levels of consumer migration, contracting decisions, and contract prices in the free market and tariffs in the regulated market, for a given system configuration. In addition, different regulatory proposals are presented and modeled for the treatment of liabilities associated with the over-contracting of distributors. The model is applied in a simplified case study and another one with realistic data of the Brazilian power system. Finally, the model is integrated in an iterative process that determines the optimal system expansion, so that the resulting contracting decisions and prices generate economic signals for investments in generation capacity expansion. This methodology is applied in a case study comprising generation expansion exercises of the Brazilian power system.